梁運(yùn)鵬,于黎,2
1.云南大學(xué),云南省生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650091;
2.云南大學(xué),云南省高校動(dòng)物遺傳多樣性與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650091
生物所生存的環(huán)境對(duì)生物自身的形態(tài)和生理功能具有重要的選擇作用,為了適應(yīng)多變的環(huán)境,生物體不斷進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化。而探討多變的環(huán)境與生物自身遺傳機(jī)制的變化一直是科學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一[1~8]。
翼手目(Chiroptera;俗稱蝙蝠)是哺乳動(dòng)物第二大目,包含哺乳動(dòng)物1/4的物種,分為18個(gè)科、202個(gè)屬、1116個(gè)種,遍布除兩極以外的全世界各個(gè)地方,尤其在熱帶地區(qū)廣泛分布[9,10]。新的蝙蝠物種陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),如2007年和2009年,中國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)并命名的北京寬耳蝠(Barbarstella beijinggensis)和楔鞍菊頭蝠(Rhinolophus xinanzhongguoensis)[11,12]。翼手目可分為擁有發(fā)達(dá)視覺(jué)系統(tǒng)的大蝙蝠亞目(Megachiroptera)和依靠回聲定位分辨食物的小蝙蝠亞目(Microchiroptera)。近些年來(lái),越來(lái)越多的分子研究支持將小蝙蝠亞目中的菊頭蝠總科和大蝙蝠亞目中的狐蝠科統(tǒng)稱為 Yinpterochiroptera,而其他的小蝙蝠亞目物種稱為Yangochiroptera[13]。
作為唯一真正會(huì)飛的哺乳動(dòng)物,蝙蝠不僅得益于特化的翼手,而且與高效的能量代謝密不可分;精確的回聲定位系統(tǒng)或發(fā)達(dá)的視覺(jué)使得這一類群成功地利用了生態(tài)壓力較小的黑暗夜空;而冬眠、特有的受精延遲等現(xiàn)象則大大增加了個(gè)體和后代的存活率;食性的多樣化不僅豐富了物種多樣性,而且使得這一類群在生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)果實(shí)種子的傳播、有害昆蟲(chóng)的捕食等方面具有不可替代的作用;體內(nèi)多種烈性病毒宿主源的確定更加吸引了科研人員對(duì)這一類群的關(guān)注。這些生物學(xué)特征使翼手目成為研究生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化的熱點(diǎn)模型之一。
最初對(duì)翼手目的研究,主要針對(duì)形態(tài)學(xué)、行為學(xué)、生態(tài)學(xué)、聲學(xué)和生理生化等方面。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展,從分子水平上研究翼手目適應(yīng)性進(jìn)化成為可能。近年來(lái),從基因組水平上開(kāi)展翼手目適應(yīng)性進(jìn)化分子機(jī)制的研究不斷涌現(xiàn),成為進(jìn)化生物學(xué)中的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)翼手目在飛行能力、回聲定位與聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、食性、冬眠、免疫防御等方面表現(xiàn)出顯著而獨(dú)特適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期對(duì)今后進(jìn)一步深入開(kāi)展此類群的適應(yīng)性進(jìn)化分子機(jī)制提供指導(dǎo)意義。
充足的能量供應(yīng)是所有生物維持生命活動(dòng)最重要的環(huán)節(jié)之一。研究顯示,飛行生物所需要的能量是其他奔跑物種所需能量的3~15倍[14,15]。蝙蝠的飛行能力是其有別于其他哺乳動(dòng)物最明顯的特征之一,伴隨著運(yùn)動(dòng)方式的劇烈變化,能量的高效供應(yīng)在蝙蝠飛行能力適應(yīng)性進(jìn)化中占有重要的地位。線粒體作為真核細(xì)胞中最主要的供能細(xì)胞器,承載著生物個(gè)體95%的能量供應(yīng)[16]。
Shen等[17]對(duì)網(wǎng)上已有的 60個(gè)物種的線粒體全基因組和10個(gè)哺乳動(dòng)物的基因組進(jìn)行了比較分析,結(jié)果顯示在翼手目代表物種(小蝙蝠亞目:瑩鼠耳蝠(Myotis lucifugus)和大蝙蝠亞目:馬來(lái)大狐蝠(Pteropusv ampyrus))的基因組中,與氧化呼吸鏈相關(guān)的 23.08%的線粒體基因和 4.9%的核基因受到了正選擇壓力,高于之前全基因組掃描研究預(yù)測(cè)中不會(huì)超過(guò) 2%的基因受到正選擇的比例[18,19]。此外,Shen等[17]進(jìn)一步選取了 7146個(gè)編碼線粒體基因但不參與氧化呼吸過(guò)程或者其他與氧化呼吸無(wú)關(guān)的核基因作為背景對(duì)照基因進(jìn)行分析,結(jié)果顯示只有72個(gè)基因(1.005%)受到了正選擇壓力,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于之前檢測(cè)到的與氧化呼吸鏈相關(guān)的核基因所受正選擇壓力的比例(4.9%),再次提供了強(qiáng)烈的證據(jù)表明能量代謝相關(guān)基因在翼手目的飛行能力適應(yīng)性進(jìn)化中扮演著重要的角色。
高效的能量代謝為生物提供充足能量的同時(shí),所產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物(例如氧化自由基ROS等)嚴(yán)重影響著生物自身的生存。對(duì)于哺乳動(dòng)物中具有飛行能力的蝙蝠而言,是否機(jī)體內(nèi)形成了相應(yīng)的機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)高效能量代謝的副產(chǎn)物對(duì)自身所產(chǎn)生的不利影響?2013年,Zhang等[20]對(duì)小蝙蝠亞目中的大衛(wèi)鼠耳蝠(Myotis davidii)和大蝙蝠亞目中的中央狐蝠(Pteropus alecto)全基因組序列進(jìn)行測(cè)定并分析,結(jié)果顯示在DNA損傷修復(fù)機(jī)制通路中,多個(gè)基因包括血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)突變基因(ATM)、DNA-蛋白激酶C基因(DNA-PKc)、DNA修復(fù)蛋白50基因(RAD50)、X-射線損傷修復(fù)基因(KU80)和小鼠雙微體結(jié)合蛋白基因(MDM2)在蝙蝠的祖先枝上檢測(cè)到正選擇作用。此外,該研究還進(jìn)一步對(duì)13個(gè)哺乳動(dòng)物(包含2個(gè)小蝙蝠——瑩鼠耳蝠、大衛(wèi)鼠耳蝠和2個(gè)大蝙蝠——中央狐蝠、馬來(lái)大狐蝠)的MDM2分析顯示:與核輸出信號(hào)密切相關(guān)的191號(hào)氨基酸位點(diǎn)在蝙蝠物種中發(fā)生了亮氨酸到苯丙氨酸的變異。之前的研究結(jié)果顯示,MDM和TP53 (p53)通過(guò)協(xié)同作用共同控制 DNA損傷修復(fù)中亞細(xì)胞的精確定位[21,22]。對(duì)翼手目的腫瘤蛋白p53基因(TP53)的研究顯示:在小蝙蝠中與核定位信號(hào)密切相關(guān)的319號(hào)氨基酸位點(diǎn)發(fā)生了賴氨酸到脯氨酸的變異,而在大蝙蝠中除了319號(hào)變異位點(diǎn)外,還檢測(cè)到322號(hào)氨基酸位點(diǎn)賴氨酸到甲硫氨酸的變異。以上的研究結(jié)果提示,蝙蝠可能通過(guò)損傷修復(fù)通路的適應(yīng)性進(jìn)化來(lái)應(yīng)對(duì)體內(nèi)大量的自由基等有害物質(zhì)對(duì)生物自身尤其是遺傳物質(zhì)所造成的傷害。
蝙蝠生活在黑暗夜空中不僅依靠獨(dú)特的飛行能力,而且與自身的回聲定位和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。精密的回聲定位能力有助于蝙蝠避開(kāi)障礙物,躲避天敵,捕食害蟲(chóng)[23]。
哺乳動(dòng)物的聽(tīng)力極為靈敏,得益于耳蝸外毛細(xì)胞的放大器作用,而生物放大器中的電動(dòng)蛋白對(duì)聲音的放大起著重要作用[24]。2000年,電動(dòng)蛋白基因prestin被克隆[24],首次揭開(kāi)了聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的分子水平研究。Prestin是陰離子運(yùn)輸?shù)鞍譙LC26超家族中的一員,編碼一個(gè)外毛細(xì)胞的跨膜機(jī)動(dòng)蛋白,可以將傳入耳內(nèi)的電壓瞬間放大數(shù)百倍。2002年,Liberman等[25]通過(guò)prestin基因敲除技術(shù)顯示正常小鼠的聽(tīng)覺(jué)能力比實(shí)驗(yàn)小鼠更加敏感和精細(xì),并且分子進(jìn)化研究顯示,該基因在哺乳動(dòng)物中表現(xiàn)為強(qiáng)烈的純凈化選擇壓力[26,27],表明prestin在聽(tīng)覺(jué)通路中具有重要的生理作用[28,29]。2008年,Li等[30]對(duì)22個(gè)哺乳動(dòng)物的prestin基因進(jìn)行研究,首次發(fā)現(xiàn)具有回聲定位的蝙蝠類群聚為一枝,推測(cè)該基因在蝙蝠類群中發(fā)生了平行進(jìn)化;并且在具有恒頻回聲定位類型的菊頭蝠(Rhinolophus thomasi)和馬鐵菊頭蝠(Rhinolophus ferrumequinum)的祖先枝上檢測(cè)到了正選擇作用,這可能與恒頻蝙蝠發(fā)出的叫聲頻率更高、而個(gè)體自身可以利用多普勒頻移補(bǔ)償機(jī)制更加準(zhǔn)確地在密集環(huán)境中識(shí)別目標(biāo)物有關(guān)。這些結(jié)果與以往研究中提出的哺乳動(dòng)物prestin均受到了強(qiáng)烈的純凈化選擇壓力[26,27]的觀點(diǎn)不一致,提示prestin在翼手目中受到了不同的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力[29]。隨后,Li等[31]和 Liu等[32]通過(guò)增加同樣具有回聲定位的鯨目中的齒鯨——寬吻海豚(Tursiops truncatus)物種后,發(fā)現(xiàn)具有回聲定位的齒鯨和蝙蝠類群聚為一簇,發(fā)生了趨同進(jìn)化,提示prestin在具有回聲定位的哺乳動(dòng)物的進(jìn)化中經(jīng)歷了相似的選擇壓力。在單基因研究中,更多的與聽(tīng)覺(jué)通路相關(guān)的基因在具有回聲定位的蝙蝠和鯨類物種中發(fā)生了趨同進(jìn)化,如耳蝸跨膜蛋白基因(Tmc1)、常染色體隱形失聰癥基因(Pjvk)、鉀離子通道蛋白基因(Kcnq4)、鈣粘蛋白23基因(Cdh23)、鈣粘附因子蛋白15基因(Pchh15)和耳畸蛋白基因(Otof)等[6,33~37]。
隨著基因組數(shù)據(jù)的海量出現(xiàn),科研人員能夠從更完整、更系統(tǒng)的角度揭示翼手目回聲定位與聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制。2013年,Zhang等[20]通過(guò)對(duì)回聲定位蝙蝠(大衛(wèi)鼠耳蝠)和非回聲定位的蝙蝠(中央狐蝠)等9個(gè)哺乳動(dòng)物的基因組研究顯示:與聽(tīng)覺(jué)相關(guān)的基因,包括無(wú)翅型MMTV整合位點(diǎn)家族成員 8A蛋白基因(Wnt8a)、FBJ小鼠骨髓瘤致癌蛋白基因(Fos)、DAZ家族互作蛋白1基因(DZIP1)、金屬肽酶跨膜基因(MMP14)和耳蝸跨膜蛋白基因(TMC1)等在回聲定位的蝙蝠物種中發(fā)生了正選擇作用,其中Wnt8a和Fos為首次報(bào)道。隨后,Seim等[35]通過(guò)對(duì)48個(gè)脊椎動(dòng)物的基因組進(jìn)行比較分析,結(jié)果顯示在回聲定位的蝙蝠和鯨類中都檢測(cè)到溶質(zhì)載體蛋白家族45A2成員基因(SLC45A2)和G-蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)結(jié)合蛋白基因(RGS7BP)發(fā)生了特異的氨基酸變異:SLC45A2基因中與胞外跨膜蛋白相關(guān)的334號(hào)氨基酸發(fā)生了谷酰胺到精氨酸的變異;RGS7BP基因中的 114號(hào)氨基酸位點(diǎn)發(fā)生了天冬氨酸到甘氨酸的變異。而以往對(duì)這兩個(gè)基因的研究顯示,SLC45A2與內(nèi)耳中吸收聲納的黑色素形成有關(guān),RGS7BP則與內(nèi)耳中前庭神經(jīng)節(jié)細(xì)胞形成有密切關(guān)系,對(duì)個(gè)體方向的定位有重要作用。從以上結(jié)果可以看出,對(duì)基因組信息的分析,可以挖掘到更多新的可能與哺乳動(dòng)物回聲定位和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)化相關(guān)的基因。在最近的一項(xiàng)研究中,Parker等[34]對(duì)22個(gè)獨(dú)立起源的具有回聲定位的哺乳動(dòng)物全基因組(包含新測(cè)序的4個(gè)蝙蝠基因組:黃毛果蝠(Eidolon helvum)、紅斑裸背蝠(Pteronotus parnellii)、印度假吸血蝠(Megaderma lyra)、馬鐵菊頭蝠(R.ferrumequinum)中的2326個(gè)直系同源基因進(jìn)行分析,結(jié)果顯示大約10%的基因在所有具有回聲定位的物種中發(fā)生了趨同進(jìn)化現(xiàn)象,并且多數(shù)基因與回聲定位和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)相關(guān),這一結(jié)果揭示了趨同進(jìn)化在具有回聲定位的物種中是普遍存在的,并非局限于少數(shù)基因中,進(jìn)一步顯示了自然選擇在回聲定位物種中的重要作用。
翼手目大量物種的適應(yīng)性輻射使蝙蝠的食性也發(fā)生了巨大的變化,表現(xiàn)出對(duì)果實(shí)、花蜜、昆蟲(chóng)、血液等多種不同食物的適應(yīng)性。對(duì)生物而言,味覺(jué)感受器(酸、甜、苦、鮮、咸)作為基本的功能單位之一,對(duì)生物分辨攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和抵制有害物質(zhì)具有重要作用[38,40]。而翼手目物種中所具有的食性多樣化,極有可能與味覺(jué)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的適應(yīng)性分化緊密相關(guān)。
味覺(jué)感受器中的酸味和咸味受體主要受化學(xué)離子門(mén)控通道轉(zhuǎn)導(dǎo),而其余3個(gè)味覺(jué)受體(苦味、甜味、鮮味)則是G-蛋白偶聯(lián)受體蛋白控制(GPCRs)[29,40,41]。2009年,Zhou等[42]通過(guò)對(duì)小蝙蝠亞目中的食蟲(chóng)蝙蝠——瑩鼠耳蝠的苦味受體基因(Bitter taste receptor,T2R)進(jìn)行研究,共得到了26個(gè)T2R基因,其中9個(gè)基因發(fā)生了假基因化。有趣的是,基因進(jìn)化分析顯示瑩鼠耳蝠中的 3個(gè)功能基因單獨(dú)聚為一簇,并且在這一簇中檢測(cè)到了強(qiáng)烈的正選擇作用。食蟲(chóng)蝙蝠主要以各種昆蟲(chóng)為食,而昆蟲(chóng)通常以化學(xué)防御來(lái)抵御捕食者,由此大大增加了食蟲(chóng)蝙蝠遭遇未知化學(xué)物質(zhì)的機(jī)會(huì),作者推測(cè)食蟲(chóng)蝙蝠也發(fā)生了相應(yīng)的適應(yīng)性進(jìn)化來(lái)應(yīng)對(duì)自身所遇到的特殊物種。
甜味/鮮味感受器受Tas1r1、Tas1r2和Tas1r3基因協(xié)同調(diào)節(jié),其中甜味感受器受Tas1r2和Tas1r3調(diào)節(jié),而鮮味受體則由Tas1r1和Tas1r3共同調(diào)節(jié)。Zhao等[43]通過(guò)對(duì) 42個(gè)蝙蝠物種的 Tas1r2研究發(fā)現(xiàn),該基因在食蟲(chóng)蝙蝠和食果蝙蝠中均受到了純凈化選擇作用,但是在吸血蝙蝠中卻發(fā)生了假基因化,并且在吸血蝠的祖先枝檢測(cè)到選擇壓力放松的信號(hào)。隨后,他們對(duì)Tas1r1的研究顯示[39],Tas1r1基因在31個(gè)蝙蝠物種中均發(fā)生了丟失或假基因化現(xiàn)象,推測(cè)在不同食性的翼手目物種中可能形成了感受器官補(bǔ)償機(jī)制的變化。以上研究顯示,吸血蝠丟失了兩個(gè)味覺(jué)感受器(甜味和鮮味),是目前為止除了在海洋哺乳動(dòng)物[7]中發(fā)現(xiàn)大量的味覺(jué)感受器丟失后的第二個(gè)哺乳動(dòng)物同時(shí)丟失兩個(gè)味覺(jué)感受器的物種,推測(cè)可能與吸血蝠特殊的食性相關(guān)。因?yàn)槲鹗菍R恍缘囊匝簽槭车奈锓N,它們更多依靠紅外線和嗅覺(jué)來(lái)搜尋食物,因此在長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化中,味覺(jué)系統(tǒng)可能發(fā)生了不同于其他蝙蝠類群的巨大變化[44~47]。
除了味覺(jué)系統(tǒng),蝙蝠在食物的攝取和消化方面也表現(xiàn)出了適應(yīng)性進(jìn)化。嗅覺(jué)作為生物體攝取外界食物的第一道防線,對(duì)生物快速高效的分辨食物具有重要的作用。作為哺乳動(dòng)物中最大的超基因家族—嗅覺(jué)受體超基因家族(Olfactory receptor superfamily,ORs),分為13個(gè)獨(dú)立的基因簇[48]。2014年,Hayden等[49]對(duì)27個(gè)蝙蝠物種共5517個(gè)OR基因進(jìn)行研究,在小蝙蝠亞目(Yangochiroptera)的葉口蝠科(Phyllostomidae)中對(duì)OR基因的3組數(shù)據(jù)集(所有OR基因、有功能OR基因、假基因化OR基因)進(jìn)行的功能聚類分析中顯示食果蝙蝠和非食果蝙蝠發(fā)生了明顯的分化,并且 3個(gè)數(shù)據(jù)集的聚類貢獻(xiàn)結(jié)果大體一致,其中 OR1/3/7和 OR2/13基因簇對(duì)食果蝙蝠更為重要,而OR5/8/9基因簇對(duì)非食果蝙蝠具有重要作用。
進(jìn)入生物體內(nèi)的不同食物是否在吸收方面也存在著相應(yīng)的適應(yīng)性差異?葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(GLUT4)是由 Slc2a 基因編碼,主要分布于脂肪細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞,在葡萄糖的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)方面起著重要作用。Shen等[50]通過(guò)對(duì) 16個(gè)蝙蝠,其中包括 7個(gè)食果蝙蝠(3個(gè)新大陸果蝠和4個(gè)舊大陸果蝠)和9個(gè)食蟲(chóng)蝙蝠的研究顯示:舊大陸果蝠的祖先枝上存在11個(gè)非同義替換位點(diǎn),并且這些氨基酸突變位點(diǎn)集中于跨膜蛋白、胞外環(huán)狀區(qū)域或者胞內(nèi)區(qū)域,提示該基因可能與舊大陸果蝠的果實(shí)中糖類攝取緊密相關(guān)。但是,與舊大陸果蝠不同,在食蟲(chóng)蝙蝠中卻檢測(cè)到該基因受到強(qiáng)烈的純凈化選擇作用,推測(cè)該基因與物種體內(nèi)葡萄糖的調(diào)節(jié)有密切關(guān)系。在同為食果蝙蝠的新大陸果蝠中也同樣檢測(cè)到純凈化選擇作用;之前對(duì)新大陸果蝠行為學(xué)和生理學(xué)的研究顯示這一類群的果蝠通過(guò)高強(qiáng)度的活動(dòng)行為來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)糖類物質(zhì)的平衡[51],與分子水平的研究結(jié)果一致。另外,酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(TAT)作為分解氨基酸提供能量的重要分解酶之一,是否在以大量碳水化合物為能量供應(yīng)源的食果蝙蝠中發(fā)生了變化?Shen等[52]對(duì)14個(gè)食蟲(chóng)蝙蝠和6個(gè)食果蝙蝠(2個(gè)新大陸果蝠和4個(gè)舊大陸果蝠)的酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶基因(TAT)研究顯示,在舊大陸果蝠中經(jīng)歷了選擇壓力放松,而在新大陸果蝠和食蟲(chóng)蝙蝠中中卻經(jīng)歷了強(qiáng)烈的純凈化選擇,并且酶活測(cè)定實(shí)驗(yàn)也顯示TAT基因在舊大陸果蝠肝臟中的活性明顯低于新大陸果蝠,即在能量代謝中通過(guò)氨基酸的異化途徑來(lái)提供能量的能力大大減少,并且之前的研究顯示在舊大陸熱帶地區(qū)中可食植物的多樣性和穩(wěn)定性明顯低于新大陸熱帶地區(qū),這樣大大減少了舊大陸熱帶地區(qū)果蝠食物中氨基酸的含量,進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此,Slc2a4和TAT基因在新大陸果蝠中都檢測(cè)到純凈化選擇壓力,而在舊大陸果蝠中發(fā)生了不同程度的適應(yīng)性變化,這一結(jié)果提示物種自身遺傳物質(zhì)的變化與其所生活的環(huán)境密不可分。
同樣在脂類代謝途徑中也發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。曾燕妮等[23]通過(guò)對(duì)食蟲(chóng)蝙蝠——瑩鼠耳蝠和食果蝙蝠——馬來(lái)大狐蝠全基因組正選擇進(jìn)行比較分析,結(jié)果顯示:脂質(zhì)代謝通路的正選擇基因富集于食果蝙蝠中,而在食蟲(chóng)蝙蝠中并未檢測(cè)到此功能基因的正選擇作用。作者推測(cè)因?yàn)槭彻鹬饕獢z食花蜜、果實(shí)等糖類物質(zhì),對(duì)脂類物質(zhì)的攝取較少,因此體內(nèi)需要大量合成脂類物質(zhì)以維持正常需求而經(jīng)歷了強(qiáng)烈的正選擇壓力。
冬眠是生物適應(yīng)極端環(huán)境所產(chǎn)生的特殊策略之一。在此期間,生物的能量代謝速率降到極低值,盡可能的充分利用自身的脂肪組織來(lái)彌補(bǔ)食物的短缺所造成的致命傷害。翼手目中大部分的物種都具有冬眠習(xí)性,涵蓋于3個(gè)超科(鞘尾蝠超科、蝙蝠超科、菊頭蝠超科),分布于寒帶和亞熱帶地區(qū)[53~59]。
瘦蛋白(Leptin)主要是由脂肪組織分泌的一種分解蛋白,對(duì)生物的能量代謝,體重調(diào)節(jié)具有重要的作用[56~59]。處于冬眠期間的物種需要消耗大量的能量以維持自身的正常代謝。He 等[60,61]選取冬眠蝙蝠代表物種馬鐵菊頭蝙蝠(R.ferrumequinum)和非冬眠蝙蝠代表物種棕果蝠(Rousettus leschenaulti)作為研究對(duì)象,進(jìn)行瘦蛋白基因(leptin)基因進(jìn)化分析,結(jié)果顯示冬眠物種和非冬眠物種的瘦蛋白氨基酸序列相似程度低,并且在冬眠蝙蝠的DNA序列水平上檢測(cè)到更多的非同義替換位點(diǎn)(即引起氨基酸改變的替換位點(diǎn))。三維結(jié)構(gòu)的同源模建結(jié)果顯示,這些突變位點(diǎn)位于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要位置。進(jìn)一步的表達(dá)分析也顯示冬眠蝙蝠的 leptin基因在脂肪細(xì)胞3T3-L1中的表達(dá)水平更高,對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制更明顯。以上的研究結(jié)果提示,leptin基因?qū)Χ唑鹪诖x方面的適應(yīng)性進(jìn)化具有重要作用。隨后,Yuan等[53]對(duì)更多蝙蝠的代表物種進(jìn)行 leptin基因的選擇壓力分析,結(jié)果顯示該基因在非冬眠蝙蝠中發(fā)生了選擇壓力放松,而在冬眠蝙蝠中則受到了正選擇作用。通過(guò)滑窗分析(Sliding window analysis)顯示,在冬眠蝙蝠中瘦蛋白第三外顯子的氨基酸替換頻率最高,共檢測(cè)到29個(gè)非同義替換位點(diǎn),其中6個(gè)位點(diǎn)位于編碼區(qū)的核心位置[53,62];進(jìn)一步的功能研究顯示,在冬眠蝙蝠中瘦蛋白具有更好的分解脂肪的能力。這項(xiàng)研究再次證實(shí) leptin基因在冬眠物種蝙蝠中的確發(fā)揮著重要的作用。
冬眠物種除了消耗脂肪以維持自身的能量需求外,還可以通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的利用來(lái)提供能量。苯基丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)在氨基酸分解供能中具有重要作用,并且參與到脂肪組織的分解過(guò)程。Pan等[63]通過(guò)對(duì)苯基丙氨酸-酪氨酸分解通路中的關(guān)鍵蛋白酶:苯基丙氨酸羥化酶(PAH)、羥基苯丙酮酸雙加氧酶(HPD)、尿黑酸雙加氧酶(HGD)、延胡索二酰已酰酶(FAH)的蛋白免疫印記研究顯示,在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的兩個(gè)冬眠物種大足鼠耳蝠(Myotis ricketti)和馬鐵菊頭蝠(R.ferrumequinum)的肝臟組織中,PAH、HGD、和FAH的酶活活性在氨基酸的異化途徑中均發(fā)生了協(xié)同上調(diào)表達(dá)。由于 Phe是生成葡萄糖的前體蛋白,同時(shí)檢測(cè)到肝臟中苯基丙氨酸(Phe)的含量顯著減少,說(shuō)明在冬眠期間個(gè)體通過(guò)增加氨基酸的異化途徑來(lái)供能。分子進(jìn)化研究顯示 PAH、HPD、HGD和 FAH在冬眠蝙蝠中均發(fā)生了強(qiáng)烈的純凈化選擇作用,提示這一通路中的關(guān)鍵蛋白酶對(duì)蝙蝠的冬眠習(xí)性具有不可替代的作用,同時(shí)也為人們提供了一個(gè)全新的視角來(lái)探討蝙蝠的冬眠習(xí)性。
最近,Zhang等[20]通過(guò)對(duì)大衛(wèi)鼠耳蝠(冬眠蝙蝠)和中央狐蝠(非冬眠蝙蝠)的基因組分析顯示,大衛(wèi)鼠耳蝠中的膽鹽刺激脂酶基因(BSSL)發(fā)生了基因復(fù)制,具有6個(gè)拷貝。有趣的是,在所有復(fù)制拷貝的保守區(qū)域,檢測(cè)到2~5個(gè)氨基酸不同程度的非同義突變位點(diǎn),這一變化提示此基因可能分化出了專一性的適應(yīng)不同底物消化的能力,對(duì)于冬眠期間物種高效利用能量具有重要作用。除此之外,還檢測(cè)到其他一些可能與冬眠相關(guān)的正選擇基因,包括鈣離子依賴性磷酸酯酶調(diào)節(jié)蛋白基因(PPP1R9A)、谷氨酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(SLC1A2)、同源序列框蛋白基因(PRRX1)、微管結(jié)合蛋白 1B基因(MAP1B)、微管結(jié)合蛋白 2基因(MAP2)和肌球蛋白輕鏈蛋白基因(MYLK)。同年,Seim 等[35]對(duì)另一個(gè)冬眠蝙蝠物種——布什鼠耳蝠(Myotis brandtii)的全基因組和肝臟轉(zhuǎn)錄組的研究結(jié)果顯示基因表達(dá)下調(diào)的基因主要與核糖體結(jié)構(gòu)完整性表達(dá)、RNA的相關(guān)結(jié)合蛋白、參與蛋白質(zhì)合成途徑、以及糖酵解和線粒體氧化呼吸等生理活動(dòng)相關(guān);而基因表達(dá)顯著上調(diào)的基因主要與消化吸收、肽酶活性、脂肪分解以及耐受等生理方面相關(guān)。這說(shuō)明冬眠蝙蝠同樣通過(guò)增強(qiáng)糖類的分解、脂肪的分解以及蛋白的分解途徑來(lái)提供能量,同時(shí)也盡量減少不必要的能量消耗以平穩(wěn)的度過(guò)冬眠期。
以前的研究結(jié)果顯示蝙蝠與多種人類的烈性傳染病有密切關(guān)系,并且是很多人類流行病病毒的宿主源,如亨德拉病毒,非典型肺炎和埃博拉病毒等[64~70]。Zhang等[20]對(duì)大衛(wèi)鼠耳蝠和中央狐蝠的基因組序列進(jìn)行分析顯示:天然免疫系統(tǒng)的NF-κB家族中轉(zhuǎn)錄因子c-REL受到強(qiáng)烈的正選擇作用,并且在核心抗原結(jié)合區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到與免疫系統(tǒng)的識(shí)別有密切關(guān)系的 4個(gè)氨基酸位點(diǎn)發(fā)生了變異。此外,以往對(duì)哺乳動(dòng)物的研究中證實(shí)與炎癥反應(yīng)和微生物抗原識(shí)別相關(guān)的干擾素誘導(dǎo)蛋白基因家族(Pyhin)在蝙蝠物種中缺失,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)缺失該基因家族的哺乳動(dòng)物類群。同時(shí),該研究還發(fā)現(xiàn)識(shí)別外源抗原分子的自然殺傷細(xì)胞免疫球蛋白受體基因家族(KIR)和自然殺傷細(xì)胞凝集素受體基因家族(KLR)在大蝙蝠亞目中的中央狐蝠中丟失,在小蝙蝠亞目中的大衛(wèi)鼠耳蝠中只檢測(cè)到一個(gè)假基因。令人驚奇的是,對(duì)白細(xì)胞受體復(fù)合物基因家族(LRC)的分析發(fā)現(xiàn),與中央狐蝠中僅存在一個(gè)基因不同,在大衛(wèi)鼠耳蝠中存在多個(gè)基因。結(jié)合同年Seim等[35]對(duì)另一小蝙蝠亞目物種——布什鼠耳蝠的基因組研究結(jié)果,即67個(gè)存在基因擴(kuò)張的基因家族中,多數(shù)與免疫球蛋白亞型結(jié)構(gòu)和免疫球蛋白應(yīng)答密切相關(guān),提示翼手目的免疫應(yīng)答機(jī)制遠(yuǎn)比人們想象的復(fù)雜,而且基因復(fù)制在翼手目的免疫防御適應(yīng)性進(jìn)化中是重要的驅(qū)動(dòng)力之一。對(duì)翼手目核糖核酸酶基因超家族(RNASE A)的研究也反映了基因重復(fù)在適應(yīng)性進(jìn)化中的重要作用。2013年,Goo等[8]對(duì)小蝙蝠亞目瑩鼠耳蝠和大蝙蝠亞目馬來(lái)大狐蝠的基因組分析顯示,瑩鼠耳蝠中的核糖核酸酶基因超家族成員中的 4個(gè)成員——RNase1、RNase4、RNase5和 RNase6,都發(fā)現(xiàn)了基因重復(fù)現(xiàn)象,且所有發(fā)生重復(fù)的基因拷貝等電點(diǎn)都很高,即堿性環(huán)境下能有效破壞細(xì)菌細(xì)胞壁進(jìn)而殺死細(xì)菌,推測(cè)可能與宿主防御有密切關(guān)系。隨后 Xu等[71]對(duì)RNase1的深入研究也得到了同樣的結(jié)論。
翼手目適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制經(jīng)歷了單基因研究到基因組水平研究的過(guò)程,并且不斷豐富的研究成果提示我們這一類群的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制比我們以往所認(rèn)識(shí)和了解的更為復(fù)雜,如與回聲定位相關(guān)的趨同現(xiàn)象、大量的基因家族丟失或擴(kuò)張事件、與冬眠相關(guān)的多通路的協(xié)同調(diào)節(jié)等,需要進(jìn)一步的研究。而且,越來(lái)越多的研究也發(fā)現(xiàn),翼手目在更多方面也表現(xiàn)出適應(yīng)性進(jìn)化,并進(jìn)行了其分子機(jī)制的探索,包括信息素感知[72]、視覺(jué)特化[23]等。值得欣喜的是,隨著理論和研究技術(shù)的不斷革新,為人們從基因組水平上探討翼手目這一類群的進(jìn)化機(jī)制提供了前所未有的機(jī)會(huì),擺脫了早期的單基因研究效率低、結(jié)論片面等一些弊端,但同時(shí)也產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn):諸多的研究結(jié)果僅僅提供了與生物特性相適應(yīng)的一些候選信息的遺傳序列差異變化,這些變化是否最終對(duì)生物的適應(yīng)性產(chǎn)生影響,需要運(yùn)用定量表達(dá)差異分析、定點(diǎn)突變、基因敲出等技術(shù)更深入地從結(jié)構(gòu)變化或功能調(diào)控表達(dá)等方面進(jìn)行充分的驗(yàn)證,而轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)的發(fā)展也為人們提供了更有效的技術(shù)平臺(tái)。同時(shí)比較基因組學(xué)和宏基因組技術(shù)的發(fā)展提示,可以從腸道微生物菌群或烈性病原菌群的視角對(duì)蝙蝠豐富的食性變化和多種病原菌的宿主免疫功能進(jìn)行探究。而關(guān)于蝙蝠其他的一些生物學(xué)特征也值得關(guān)注:(1)蝙蝠食性多樣化是否導(dǎo)致了牙齒的相應(yīng)變化?(2)高密度的群體性生活是否與自身的高效宿主防御有關(guān)?(3)精子貯存、胚胎延遲受精、與人類具有相似月經(jīng)行為等特殊的生殖現(xiàn)象對(duì)人類復(fù)雜疾病的研制都具有重要的參考價(jià)值等等。
總之,隨著研究技術(shù)的不斷成熟以及研究成果的不斷豐富,人們對(duì)翼手目這一類群的認(rèn)識(shí)和了解將更加的深入和系統(tǒng),同時(shí)也為探討動(dòng)物適應(yīng)性進(jìn)化分子機(jī)制做出貢獻(xiàn)。
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